IGBT

Ein IGBT ist ein Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen, der die hohe Eingangsimpedanz eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit der niedrigen Sättigungsspannung und hohen Strombelastbarkeit eines Bipolartransistors (BJT) verbindet. Er sitzt zwischen dem Gate-Anschluss und dem Kollektor-Emitter-Pfad und ermöglicht es, mit einem kleinen Steuersignal am Gate große Ströme zu schalten, typischerweise im Bereich von Zehnern bis mehreren Hundert Ampere, mit Schaltfrequenzen von 1 kHz bis 20 kHz oder höher, je nach Bauelementeklassifizierung.

Die Struktur stapelt einen MOSFET auf einem BJT, sodass die Gate-Spannung steuert, ob das Bauelement leitet oder sperrt. Wenn die Gate-Spannung die Schwelle überschreitet, typischerweise 3 bis 15 Volt, strömen Ladungsträger durch die Driftzone und das Bauelement geht in Sättigung, wobei eine Spannung von 0,5 bis 2 Volt über den Kollektor-Emitter-Anschlüssen abfällt. Diese niedrige Durchlassspannung bedeutet weniger Wärmeverlust als bei älteren Thyristoren oder Power-MOSFETs mit denselben Stromstärken. Das isolierte Gate gibt dem Bauelement seinen Namen und seinen Hauptvorteil: Im stationären Zustand zieht es fast keinen Gate-Strom, sodass die Ansteuerschaltung einfach und effizient sein kann.

IGBTs dominieren frequenzumrichter (VFDs) für Motoren, Schaltnetzteile (SMPS) in Industrieausrüstungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Schweißinverter und Hochleistungs-Photovoltaik-Wechselrichter. Ein typischer dreiphasiger Frequenzumrichter verwendet sechs IGBTs in einer Brückenschaltung und schaltet Hunderttausende Male pro Sekunde ein und aus, um eine Wechselspannung aus einem Gleichspannungsbus zu erzeugen. Moderne IGBTs sind für Spannungen von 600 Volt bis 6500 Volt für Mittelspannungsanwendungen ausgelegt, und Hersteller spezifizieren den maximalen wiederholten Spitzenstrom und die Grenzwerte der Sperrschichttemperatur, typischerweise 150 Grad Celsius, über die hinaus sich die Zuverlässigkeit schnell verschlechtert.

Ausfallmechanismen und thermische Belastung

IGBTs fallen aus, wenn die Sperrschichttemperatur die Entwurfsgrenzen überschreitet, wenn Gate-Emitter-Überspannungsspitzen die Oxidschicht beschädigen, oder wenn parasitäre Schwingungen beim Abschalten Spannungsspitzen erzeugen, die die Sperrspannung übersteigen. Bei Hochstrom-Schaltanwendungen können parallele IGBTs die Last teilen, erfordern aber sorgfältige Konstruktion zum Ausgleich von Gate-Steuersignalen und Kollektorströmen. Kurzschlussschutz ist kritisch: Wenn die Last plötzlich kurzgeschlossen wird, kann der Kollektorstrom innerhalb von Mikrosekunden den zulässigen Höchstwert übersteigen und zerstörerische Leistungsverluste erzeugen, es sei denn, die Gate-Ansteuerschaltung erkennt den Fehler und entfernt das Gate-Signal.

Der Leistungsvorteil von IGBTs gegenüber älteren Power-MOSFETs und Thyristoren liegt im optimalen Bereich zwischen Schaltgeschwindigkeit und Leitungsverlust. MOSFETs schalten schneller, leiten aber bei hohen Stromstärken mit höherem Spannungsabfall. Thyristoren und GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off) leiten mit niedrigerem Spannungsabfall, benötigen aber komplexe Kommutierungsschaltungen. IGBTs überbrücken diese Lücke, deshalb sind sie zur Standard-Schalter in Wechselrichtern und Antrieben in fast allen Industrieleis tungs-Umwandlungsgeräten geworden, die in den letzten zwei Jahrzehnten gebaut wurden.